氢燃料旋流器及旋流稳焰防回火回流燃烧室

本发明涉及燃烧室的，尤其涉及一种氢燃料旋流器及旋流稳焰防回火回流燃烧室。

背景技术：

1、航空动力的减碳创新发展是实现目标的关键，氢能源因其零碳排放的特性成为备受关注的替代能源。氢燃料发动机具有功率密度高、起动性能好、燃料消耗低等优势，对于提升航空发动机性能、降低污染排放具有重要作用。

2、但是氢燃料具有火焰传播速度高、可燃范围宽和反应活性高等特点，这些特性使得氢燃料燃气轮机在设计和运行时面临回火、掺混不均匀和燃烧不稳定等技术挑战，且氢燃料燃烧时火焰温度较高，容易导致更多的热力型氮氧化物生成。因此，氢燃料燃气轮机在提高效率的同时需要降低污染物排放，这对燃烧室的设计提出了更高要求。当前，研究人员正致力于克服氢燃料发动机的技术挑战，并通过优化燃烧室设计和旋流器结构来提高燃烧效率和降低污染物排放。

3、氢燃料旋流器的设计对于提高燃料与空气的混合效率、降低污染物排放、提高燃烧稳定性、抑制回火及燃烧室中的热声振荡现象具有重要的影响，但由于氢燃料的物理化学特性及燃烧特点，传统航空煤油旋流喷嘴较难满足上述要求。

4、因此，如何提供如何实现燃料与空气的高效混合、降低污染物排放、提高燃烧稳定性、抑制回火及燃烧室中的热声振荡，是当前氢燃料旋流器设计中亟待解决的重要课题。

技术实现思路

1、本发明提供一种氢燃料旋流器及旋流稳焰防回火回流燃烧室，用以解决现有技术中的氢燃料旋流器难以满足燃料与空气的高效混合、降低污染物排放、提高燃烧稳定性、抑制回火及燃烧室中的热声振荡的缺陷。

2、本发明提供一种氢燃料旋流器，包括：内旋流结构、外旋流结构和燃料喷嘴；

3、所述内旋流结构设置有径向的入口和轴向的出口；

4、所述外旋流结构设置有径向的入口和轴向的出口，所述外旋流结构的出口设置于所述内旋流结构出口的外围并且与所述内旋流结构的出口同轴心线；

5、所述燃料喷嘴设置于所述内旋流结构的出口和所述外旋流结构的出口之间，并且，所述燃料喷嘴的出口端沿径向逐渐远离所述轴心线。

6、根据本发明提供的一种氢燃料旋流器，所述内旋流结构包括：

7、第一套管，内设有轴向延伸的第一流道，所述第一流道的端部开口形成为所述内旋流结构的出口，所述内旋流结构的入口设置于所述第一套管的管壁上；

8、第一叶片，有多个且设置于所述第一流道内，多个所述第一叶片与所述第一流道的轴心线呈预设夹角并且环绕所述第一流道的轴心线间隔排布。

9、根据本发明提供的一种氢燃料旋流器，所述外旋流结构包括：

10、壳体，内设有轴向延伸的第二流道，以及径向延伸并与所述第二流道导通的第三流道；所述第一套管同轴设置于所述第二流道内，所述第二流道的端部开口形成为所述外旋流结构的出口，所述第三流道远离所述第二流道的侧部开口形成为所述外旋流结构的入口；

11、第二叶片，有多个且设置于所述第三流道内，多个所述第二叶片与所述第二流道的轴心线呈预设夹角并且环绕所述第二流道的轴心线间隔排布。

12、根据本发明提供的一种氢燃料旋流器，所述壳体包括第二套管以及同轴设置于所述第二套管外的导流环；

13、所述第二套管的内腔形成为所述第二流道；所述导流环内部中空且远离所述第二套管的侧面开口，所述导流环的内腔与所述第二套管的内腔贯通，形成为所述第二流道。

14、根据本发明提供的一种氢燃料旋流器，所述燃料喷嘴有多个，多个所述燃料喷嘴排布为环状结构，所述环状结构与所述内旋流结构的出口以及所述外旋流结构的出口共轴。

15、根据本发明提供的一种氢燃料旋流器，还包括第三套管；

16、所述第二套管同轴套接于所述第三套管外，所述第二流道形成于所述第二套管与所述第三套管之间；

17、所述第三套管同轴套接于所述第一套管外，所述第一套管外壁与所述第三套管内壁之间存在间隙形成为燃料流道，所述第三套管靠近所述内旋流结构出口的端部开设有多个射流孔，形成为多个所述燃料喷嘴。

18、根据本发明提供的一种氢燃料旋流器，在靠近所述内旋流结构的出口处，所述第一套管的管壁朝着逐渐靠近所述第三套管内壁的方向偏离，使所述燃料喷嘴的出口端沿径向逐渐远离所述轴心线。

19、根据本发明提供的一种氢燃料旋流器，所述第一套管远离所述燃料喷嘴的一端封闭，所述第三套管远离所述燃料喷嘴的一端开口，形成为燃料入口；所述第三套管的管壁上设置有径向的气孔，所述气孔与所述内旋流结构的入口导通并通过分隔壁与所述燃料流道分隔。

20、根据本发明提供的一种氢燃料旋流器，所述第二流道与第三流道的相接处设置为圆角。

21、根据本发明提供的一种氢燃料旋流器，所述内旋流结构的出口渐扩。

22、根据本发明提供的一种氢燃料旋流器，所述外旋流结构的出口渐扩。

23、根据本发明提供的一种旋流稳焰防回火回流燃烧室，包括上述任意一项所述的氢燃料旋流器。

24、根据本发明提供的一种旋流稳焰防回火回流燃烧室，还包括机匣以及设置于所述机匣内的火焰筒，所述机匣的内壁以及所述火焰筒的外壁合围形成燃烧室进口空气流道；

25、所述氢燃料旋流器连接于所述火焰筒头部，所述氢燃料旋流器的外旋流结构出口、内旋流结构出口和燃料喷嘴位于所述火焰筒内，所述氢燃料旋流器的内旋流结构入口和外旋流结构入口位于所述燃烧室进口空气流道内。

26、本发明提供的氢燃料旋流器及旋流稳焰防回火回流燃烧室，通过外旋流结构，形成环绕氢燃料旋流器轴心线旋转前进的外旋空气流，通过内旋流结构，形成环绕氢燃料旋流器轴心线旋转前进的内旋空气流，内、外旋空气流在离心力的作用下以旋流扩张形态流入燃烧室主燃区，主燃区在氢燃料旋流器轴心处形成低压回流区，流速降低，使火焰能够稳定传播到新流入的燃料、空气混合气体中，以确保稳定持续的燃烧；燃料喷嘴在内、外旋流结构的出口之间，较高的射流速度可以防止回火的风险，燃料喷入燃烧室后在内、外旋空流气流的剪切流动作用下，迅速扩散，有效增强掺混；空气与燃料流经氢燃料旋流器后形成的旋流火焰在一定程度上减小了火焰的轴向长度，能够降低主燃区的燃烧温度，减少热力型氮氧化物的生成，有效控制污染物排放，同时，氢旋流火焰轴向长度的缩短也使得燃烧室出口温度分布在结构上易于调节与控制；此外，上述结构的氢燃料旋流器结构更加简单可靠、易于制造，降低制造成本的同时，也扩大了氢燃料旋流器的燃料利用范围。

技术特征：

1.一种氢燃料旋流器，其特征在于，包括：内旋流结构、外旋流结构和燃料喷嘴(30)；

2.根据权利要求1所述的氢燃料旋流器，其特征在于，所述内旋流结构包括：

3.根据权利要求2所述的氢燃料旋流器，其特征在于，所述外旋流结构包括：

4.根据权利要求3所述的氢燃料旋流器，其特征在于，所述壳体(20)包括第二套管(200)以及同轴设置于所述第二套管(200)外的导流环(201)；

5.根据权利要求4所述的氢燃料旋流器，其特征在于，所述燃料喷嘴(30)有多个，多个所述燃料喷嘴(30)排布为环状结构，所述环状结构与所述内旋流结构的出口以及所述外旋流结构的出口共轴。

6.根据权利要求5所述的氢燃料旋流器，其特征在于，还包括第三套管(40)；

7.根据权利要求6所述的氢燃料旋流器，其特征在于，在靠近所述内旋流结构的出口处，所述第一套管(10)的管壁朝着逐渐靠近所述第三套管(40)内壁的方向偏离，使所述燃料喷嘴(30)的出口端沿径向逐渐远离所述轴心线。

8.根据权利要求7所述的氢燃料旋流器，其特征在于，所述第一套管(10)远离所述燃料喷嘴(30)的一端封闭，所述第三套管(40)远离所述燃料喷嘴(30)的一端开口，形成为燃料入口(400)；所述第三套管(40)的管壁上设置有径向的气孔(401)，所述气孔(401)与所述内旋流结构的入口导通并通过分隔壁(402)与所述燃料流道分隔。

9.一种旋流稳焰防回火回流燃烧室，包括如权利要求1-8任意一项所述的氢燃料旋流器。

10.根据权利要求9所述的旋流稳焰防回火回流燃烧室，其特征在于，还包括机匣(50)以及设置于所述机匣(50)内的火焰筒(60)，所述机匣(50)的内壁以及所述火焰筒(60)的外壁合围形成燃烧室进口空气流道；

技术总结
本发明涉及燃烧室的技术领域，提供一种氢燃料旋流器及旋流稳焰防回火回流燃烧室，氢燃料旋流器包括：内旋流结构，设置有径向的入口和轴向的出口；外旋流结构，设置有径向的入口和轴向的出口，外旋流结构的出口设置于内旋流结构出口的外围并且与内旋流结构的出口同轴心线；燃料喷嘴，设置于内旋流结构的出口和外旋流结构的出口之间，并且，燃料喷嘴的出口端沿径向逐渐远离轴心线；如此，使氢燃料旋流器具有良好的抑制回火、增强掺混、提高燃烧稳定性、抑制热声振荡、降低NO<subgt;X</subgt;排放等优点，此外，上述结构的氢燃料旋流器结构更加简单可靠、易于制造，降低制造成本的同时，也扩大了氢燃料旋流器的燃料利用范围。

技术研发人员：王建臣,张立传,林宇震,张弛,刘逍遥
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/9